不同土地利用情景下农村景观生态格局优化*

熊 繁，邵景安，2※（.重庆师范大学地理与旅游学院，重庆 4033；2.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，重庆 400047）



·技术方法·

不同土地利用情景下农村景观生态格局优化*

熊 繁1，邵景安1，2※
（1.重庆师范大学地理与旅游学院，重庆 401331；2.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，重庆 400047）

摘 要景观格局优化是实现有限土地资源优化利用的有效途径。文章以重庆市江津区龙华镇为样区，设置4种不同土地利用情景，通过8个景观格局指数与生态阻力对各情景设置进行分析，在此基础上采用最小累积阻力模型，构建不同景观组分别对4种不同土地利用情景 （基准情景、生态情景、发展情景、综合情景）的景观格局进行优化，遴选最佳优化路径。结果表明:样区耕地景观占比最大，这有助于促进景观生态功能的开发与利用；样区较高程度的景观破碎化与较差的景观连通性对景观生态功能的开发与利用产生较大的阻碍作用；比较4种土地利用情景，综合情景的生态源面积大于其它3种情景，且生态源的分布情况也较其它3种情景均匀；在构建生态廊道体系时，综合情景下的物质、能量及物种的流通性也较其它3种情景强；而且，综合情景下的生态节点跟其它3种情景相比，无论是在功能数量上还是在空间分布上，均具有更强的合理性。

关键词土地利用情景 农村景观格局 最小累计阻力模型 景观格局优化

0 引言

景观格局与生态过程间的相互关系是景观格局优化需要查明的重要内容之一［1，2］，本质上就是利用景观生态学的基本观点优化局地或区域时空土地利用，从而在较大程度上实现景观功能、格局及过程间的良性互馈［3］，发挥土地利用景观的综合效用。然而，从现有研究看，景观格局优化多从景观要素的空间分布与数量配置方面进行考虑，方法多集中于概念模型、数学模型以及利用计算机技术的模拟上。如Seppelt等［4］对景观格局与营养盐流失进行模拟，提出农业土地景观格局优化途径。Saroinsong［5］从土壤侵蚀风险、土地适宜性及经济状况等3方面综合考虑，采用土地资源信息系统对农业景观格局进行优化。尤其是，在对生物空间运动潜在趋势与景观格局改变间关系的认识上，Knaapen等［6］提出的在一定程度上揭示景观格局与生态过程耦合关系的最小耗费距离模型，被广泛应用于土地生态适宜性评价［7］、生态安全分析［8］等生态景观格局优化领域。

尽管景观格局优化方法日臻成熟，但更多主要针对现有土地利用格局进行生态景观的优化［9］，而缺少对已优化情景的不确定性的考虑。已优化的景观生态格局在外界干扰下可能会发生灾变式的不确定性转换，从而进入优化前所未考虑到的非理想状态［10］。而多情景分析关注的就是这种不确定性，它基于研究区目前存在的景观生态问题，在一系列限制条件下，设计出未来可能的变化情景，现已在土地利用/覆被变化、土地景观变化的情景模拟与分析中得到广泛应用［11-12］。

该文以重庆典型农业转型区江津龙华镇为样区，利用情景分析法设置4种不同土地利用情景，计算景观格局指数、生态敏感性及最小累积阻力验证土地利用情景的优劣，结合GIS技术优化不同土地利用情景的景观生态格局，为区域农业发展规划与土地利用整治规划提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 区域概况

样区龙华镇位于重庆江津区的城区西部，长江黄金水道南岸，与德感工业园区隔江相望 （图1），辖区面积80.70km2。地势以浅丘、平坝及低山为主，属亚热带季风性湿润气候区，年均气温19℃，年均降水量1 044.6mm，年日照时数1 200～1 600h；土壤类型适于多种作物生长。2014年末，农用地面积62.28km2，占辖区面积的77.23%，在农用地中，耕地占56.01%，园地占16.30%，林地占12.37%，草地占0.71%，其他农用地占14.61%，是典型的浅丘农业重镇。总人口4.236 1万人，农业人口3.809 6万人，占总人口的89.93%。乡村路网基本形成，有县、乡、村三级公路77条，总长315.72km。土地流转面积12km2，占总耕地面积的34.07%。江津区龙华镇属江津区现代农业示范园区的核心区，农业产业发展正处于传统农业向现代农业转型升级的关键时期，且已形成以优质花椒、晚熟柑橘、无公害蔬菜等为主的特色农业产业。伴随农业发展的逐步转型，企业资金的进入，建设用地不断扩张，土地利用与景观格局随之改变，致使景观破碎化程度加剧，生态功能退化。

图1 样区位置与行政区划

1.2 数据来源与处理

（1）江津区国土局提供0.8m×0.8m高分辨率遥感影像数据，投影方式为高斯-克吕格投影，影像参考系为西安1 980平面坐标系。运用ERDAS8.7对遥感影像进行人机交互解译得到样区2010年土地利用图，并对解译结果进行精度评价与实地验证，解译精度达95%。

（2）利用GoodyGIS 3.12与Surfer软件提取样区等高线，利用ArcGIS9.3的3D Analyst模块生成tin模型，并转换成分辨率10m×10m的DEM栅格数据，提取地形位指数［13］。

（3）江津区国土局提供龙华镇2010年1:10 000第2次土地调查数据、地形图及行政区划图；其他数据，如江津区统计局、江津区农业委员会及龙华镇提供相关社会经济统计数据及企业基本信息。

（4）参照国家土地利用分类标准 （GB/T 21 010-2 007）及其相关研究成果［14］，将样区土地利用划分为7类 （表1）。根据前人研究成果，土地利用空间格局即为景观空间格局［15］。

（5）将各栅格模型的最小分辨率统一为10m×10m，空间参考系为西安1 980平面坐标系。

表1 样区景观类型分类

1.3 研究方法

1.3.1 情景分析法

情景是对未来可能发生的某一过程的描述，反应现状与新影响因子作用下可能产生不同情况的一种假设。运用情景分析法预测区域未来土地利用状况，成为制定区域土地利用战略的有效途径。土地利用情景的设置是基于区域土地利用存在的问题，在限制条件下设计出未来利用情景；情景分析能把未来可能情景落实到空间，主要是应用空间数据与空间技术条件；再次就是情景方案设计不仅是单一目标的设定，更多的是多目标的综合情景模拟与整合［16］。

图2 样区不同土地利用情景下景观类型分布

该文借助情景分析的优势，抓住样区农业转型过程中所出现的社会经济发展与生态环境问题，在2010年土地利用现状的基础上，结合相关规划要求，设置4种不同土地利用情景:

（1）基准情景 （图2A），即样区2010年的土地利用现状。农用地占总面积77.23%，耕地、园地占56.34%，林地面积相对较小且零星分散，森林覆盖率仅9.64%。

（2）生态情景 （图2B），即改善样区生态环境的土地利用情景。参考《江津区龙华镇土地利用总体规划》（2006～2020年）中有关生态环境建设方面要求，提出沿江修建一条以林地为主，宽度为300m的绿化带，将坡度大于25°的坡耕地退耕还林，并增大水域面积等的建议。

（3）发展情景 （图2C），即保证样区社会经济发展的情景。参考《江津现代农业园总体规划》中关于样区发展定位，提出产业发展与新农村建设有机结合的思路。具体情景设置:依托现有特色产业，建设服务于现代农业产业的集休闲、观光及度假于一体的生态型新农庄；依托现有路网，在对现有路网改造维修的基础上，新增一条沿江公路，以龙门社区为起点，穿过五台村、燕坝村，建成后将串联龙华镇原有各级公路，形成新的公路网，为生态农业产业的发展提供便捷通道，同时使各村级道路的运输能力显著提升，为现代农业机械化作业创造条件；在原场镇龙门社区基础上，增加建设用地面积，将龙门社区与双溪村的农民新村合并为城镇核心区，构建集特色旅游业、商贸、居民区为一体的宜居新区；再依据居民点分布现状，构建“两组团 （燕坝村与朱羊寺村），四核心 （龙华寺村、梁家村、新店村及农庆村），十八节点”的村落新格局。

（4）综合情景 （图2D），即兼顾生态与社会经济发展的综合情景。根据《江津区龙华镇国土整治规划》（2010～2020）中提出的以新型农业产业培育、新村场镇建设、生态保护灾害治理等为先导，优化国土资源空间配置格局的指导思想，结合样区实际做出如下设置:综合将上述生态情景与发展情景，在新店村推动土地流转，大力发展柑橘产业，打造生态果园，增加园地面积；在燕坝村与朱羊寺村新增加的水域面积，加快水利设施建设与发展水产业，在提高生态功能的同时带动经济的发展；结合推进道路防护林带建设，最终使森林覆盖率提升到18%，水土流失年侵蚀模数降到2 500t/km2·a，在构建生态景观的同时提升廊道的连通性与安全性。

1.3.2 生态敏感性

生态敏感性是生态系统响应人为干扰与自然环境变化的程度，能反映区域发生生态环境问题的难易程度［17］。该文选取地形位指数、土地覆盖类型及河流水库缓冲区等组成生态敏感性评价体系 （表2）。其中，地形位指数是综合高程、坡度的异质性［13］，反映地形条件的空间差异［28］。公式为:

表2 样区生态敏感性评价体系

1.3.3 景观指数

该文从景观类型与景观水平等2个尺度选取斑块类型所占面积比 （Pland）、平均斑块面积 （MPS）、斑块分维数 （FD）、最大斑块化指数 （LPI）、景观形状指数 （LSI）、景观多样性指数 （SHDI）、景观均匀度指数 （SHEI）、连接度指数 （CONNECT）等8个指数［18-19］分析不同土地利用情景下的景观格局特征，运用Fragstats3.3对样区各景观格局指数进行计算。其中，LPI、LSI、SHDI、CONNECT能直接反映研究区生态环境现状，因此，选择这4种指数作为下文样区生态环境评价指标体系的因素层评价因子。

1.3.4 最小累计阻力计算

（1）构建阻力面。景观单元的类型组成与空间配置及其内部的生态学过程对区域生态效益的发挥产生重要而深刻的影响。样区受人为活动干扰大，又处于农业发展转型期，生态安全面临巨大挑战。该文从生态敏感性与景观格局指数两方面构建生态环境评价指标体系 （表3），得到阻力面。在评价指标体系中，不同的权重反映出各因子对评价指标的重要程度不同。采用层次分析法与熵值法［20-21］，将主观与客观相结合，确定出不同土地利用情景下各指标的综合权重。

表3 样区生态环境评价指标体系

（2）最小累计阻力计算。物质流、能量流在景观空间中的流动必须要克服一定的阻力。不同类型景观产生不同的景观阻力，异质性越大，阻力越大。为反映“源地”景观的空间运行趋势，采用最小累计阻力模型表达其运行特点。该模型主要考虑源、距离及地表摩擦阻力等因子，公式为:

式中，Ci是第i个景观单元到源地的最小累计阻力值，Dij是指从空间某一个景观单元i到源地j的距离；Ri是指景观i对某运动的综合阻力，n为基本景观单元总数。

1.3.5 景观格局优化途径

（1）生态源地。在景观中有一些能够促进生态过程发展的景观类型，如核心斑块面积大的林地、水域等，称之为“源地”。源地在空间上具有一定的拓展性与连续性［22］，该文选择斑块面积较大的水域（大于5hm2）、连片性较好的林地与园地 （大于20hm2）等生态用地［23］作为生态源地。

（2）生态廊道。生态廊道的构建对增强源地与周围斑块的有效连接至关重要。利用ArcGIS空间分析模块中成本距离计算得到累积耗费距离表面。借鉴水文分析法，在累积耗费距离表面提取“脊线”与“谷线”，得到最大、最小耗费路径，综合样区实际，确定最小耗费路径为生态廊道的空间位置。

（3）生态节点。生态节点是指在景观空间中连接相邻生态源并对生态流运行起关键作用的区域，一般分布于廊道上生态功能最薄弱的地方，如廊道的断裂处、道路廊道的交汇点等［24］。利用GIS空间分析功能，在最小耗费路径的断裂处、最大耗费路径及最小耗费路径交汇处确立生态节点。

2 结果与分析

2.1 情景验证

2.1.1 不同情景的景观格局特征

不同土地利用情景各景观类型的景观格局指数具有明显共性。表4可知，各情景下耕地的Pland指数最大，而未利用地的最小；各情景下耕地的AREA-MN指数最大，建设用地的最小，且基准情境下未利用地的AREA-MN指数与建设用地相同；各情景下各景观类型的PAFRAC指数差距较小。这一结果表明，样区各景观类型形状仍为自然状态，受人为活动影响较小。

从各景观类型看，不同土地利用情景各景观格局指数差异明显。基准情景下水域、林地及耕地的Pland、AREA-MN指数分别为 （10.77%、9.94%及52.47%）与 （2.73hm2、0.84hm2及25.37hm2），而生态情景下上述3种景观类型的Pland、AREA-MN指数分别为 （18.80%、14.86%及42.67%）与（5.18hm2、1.34hm2及9.90hm2），主要原因是生态情景下水域、林地等生态用地面积大量增加，生态环境改善，生态压力缓和；基准情景下建设用地的Pland指数为12.45%，AREA-MN指数为0.44hm2，发展情景下Pland指数为21.04%，AREA-MN指数为0.33hm2。表明发展情景下虽然建设用地不断增加，但平均斑块大小却稍有减小，破碎化程度大；与基准情景相比，综合情景下耕地、水域、林地、建设用地的Pland指数分别为35.54%、18.67%、13.66%、19.19%，且除草地外的其它景观类型的PAFRAC指数均有下降。这说明伴随生态用地的不断增加，斑块形状趋于简单，为现代农业的发展提供有利条件。

表4 样区不同土地利用情景的景观类型尺度指数

表5可知，各情景下基准情景的最大斑块指数 （LPI）最大，但景观形状指数 （LSI）、景观多样性（SHDI）、景观均匀度 （SHEI）及连通性 （CONNECT）均最低，表明基准情景的景观斑块化程度大，为现代农业集中连片发展提供便利，但景观多样性较低，分布不均匀，连通性较差，又说明基准情景的景观较为单一，生态完整性状况需要提高；综合情景下最大斑块化指数 （LPI）最低，因为耕地是样区主要的土地利用类型，集中性较好，但伴随农业产业的转型发展，建设用地增加，原有斑块被切割，破碎化程度加大，斑块面积减小，致使土地利用正由粗放向精细化利用转变。而综合情景下景观形状指数、景观多样性、景观均匀度及连接度分别为51.873 4、1.563 2、0.803 3及0.084 2，表明在向现代农业发展转型过程中，人为活动的干扰强度增大，景观形状更不规则，但连接度显著增加，格局多样性提高且分布更均匀，景观组合向更加合理方向发展。

表5 样区不同土地利用情景的景观水平指数

2.1.2 不同土地利用情景下的生态敏感性

基准情景下低敏感区面积最大，占比达46.41%，主要分布在地势较为平坦，海拔较低区，该区集中连片性强，不敏感区占比最小，仅9.22%，且空间分布较为零散 （图3A）；生态情景下高敏感区与中敏感区分布明显，两者占比高达62.45%，集中分布于北部的龙华寺村、五台村与南部的朱羊寺村等区域 （图3B）；发展情景下不敏感区明显增加，较基准情景下增加5.13%，主要分布在东北部的场镇区，高敏感区主要集中在长江沿岸与场镇内部 （图3C）；综合情景下不敏感区与高敏感区都明显增加，不同生态敏感等级区占比较为均匀，相间分布 （图3D）。

图4可看出，林地与水域都分布在高度敏感区，占比均在20%以上，因该景观类型的生态恢复力较弱，致使生态敏感区一旦遭到破坏，短时间内将难以恢复；草地主要分布在中敏感区，但高敏感区也有分布，所占比例均较低，原因是样区气候属亚热带季风性湿润气候区，植被为亚热带常绿阔叶林带，但样区主要以种植业为主，现有草地以人工草地居多，自然草场分布较少；耕地与园地集中分布于低敏感区与中敏感区，占样区比重较大，如上所述，样区以农业发展为主，耕地与园地分布较广；建设用地与未利用地主要分布在不敏感区与低敏感区。

图3 样区不同土地利用情景下生态敏感性的空间分布

图4 样区不同土地利用情景下不同等级生态敏感性的土地覆被类型面积比

2.1.3 不同土地利用情景下的生态阻力

从图5可知，基准情景下生态阻力值最大，为1 171.67，其次为发展情景与生态情景；对比图6发现，基准情景与发展情景下最小累积阻力空间分布既有相似也有不同之处。相似在于最小累积阻力南北差异明显，南部高，北部低，且最小累计阻力的最大值位于燕坝村、朱羊寺村、农庆村交界处；不同在于北部龙华寺村、五台村、双溪村交界处与东北部新店村、双溪村交界处。在发展情景下这2个交界处受到场镇扩张的影响，建设用地不断扩张，而同时带来林地面积的增加，连片度提高，进而导致交界处阻力值降低。生态情景与综合情景下最小累积阻力空间分布的相似之处在于最小累积阻力中部高，四周低，且高值区范围比基准情景与发展情景下的小；不同之处在于中部梁家村、农庆村与偏南部朱羊寺村，原因是综合情景下林地与水域都有一定的增加，致使中部的最小累积阻力有一定减小，而位于南部燕坝村的巴渝新居配套基础设施建设不断完善，建设用地规模与布局不断扩大，不断带动周边村庄的发展，导致偏南部的最小累积阻力增大。

图5 样区不同土地利用情景下生态阻力的空间分布

图6 样区不同土地利用情景的最小累积阻力空间分布

2.2 情景优化

2.2.1 生态源构建与保护

表6可看出，综合情景下生态源的3种景观类型占比较为均衡，而且，图7还展示综合情景下生态源的分布较为均匀，覆盖范围较广，斑块面积较大。4种情景中，综合情景下生态源的生态系统服务功能价值最高，可为样区人们的生产、生活提供生态保障。但因这些生态源多以人工水域与人工林地为主，它们易遭受人为活动的干扰，为此应尽量增大生态源斑块面积，在其周围营造一定宽度的缓冲保护带。对高生态价值区应实行限制开发措施，如样区坡度较大的东北部地区等。在样区南部，生态源的核心斑块呈现不连续且斑块面积较小的特点，这对于景观信息的流动具有一定的阻碍作用，未来应扩大源地面积，构建新的生态源地，加快景观流动的效率。

表6 样区不同土地利用情景下生态源地占比 %

2.2.2 生态廊道建设

据样区现状与不同情景下发展目标，该文设立农业生产廊道、生态绿色廊道及道路廊道等3种。其中，在基准情景中，因样区主要以农业生产活动为主，在设立生态廊道时，应以农业生产廊道为主，而且，在在构建源地与核心斑块面积较大的耕地斑块间的廊道时，应耕地的农药化肥施用量，并在廊道两侧划定一定宽度的缓冲区，用来增强廊道的生态效应；在生态情景中，因样区高敏感区与中敏感区面积占比达62.45%，为提高样区生态完整性，应建设生态绿色廊道将源地与零散且面积较小的生态用地连接起来，以保障生态流的畅通；在发展情景中，因道路的通达性可直接影响样区经济社会的发展速度，在核心面积较大的建设用地斑块与源地间构建道路廊道，且在廊道两侧加强植被绿化，达到减轻交通干线对源地的破坏的目的；在综合情景中，因样区以现代农业为发展目标，应构建农业生产、生态绿色及道路的生态廊道体系，在保障经济发展的同时改善生态环境。

图7 样区不同土地利用情景景观格局优化结果

2.2.3 生态节点构建

根据连接廊道类型的不同，将生态节点分为农业生产节点、绿色生态节点及道路节点等3类。农业生态节点主要出现在基准情景中，因该情景景观破碎化程度大，连通性低，构建生态节点将源地与农业生产廊道连接起来，用以增强景观连通性；绿色生态节点主要出现在生态情景中，该类节点位于最大耗费路径、最小耗费路径的交点处、耗费路径的不连续处，以及鹤山坪、周望山、大山顶、山地公园等开敞区域，这些节点受外界的干扰与冲击较敏感，对景观功能稳定性影响较大；道路节点主要出现在发展情景中，在生态廊道运行过程中，当物质、能量、物种到达道路断点时跨度较大，就难以流通，将这些道路断点设置为生态节点能够有效改善景观生态功能；在综合情景中，上述3类节点均有分布，通过点-线-面的结合，即通过生态节点、生态廊道及生态源的结合从宏观上构建生态网络，增强景观连通性，改善格局破碎的现状，提高景观生态功能。

3 结论

该文运用情景分析法，设置不同土地利用情景，对重庆典型农业转型区江津区龙华镇进行分析，查明了该区在不同土地利用情景下的景观格局特征，并根据分析结果对该区各情景进行了景观格局优化。优化结果表明，在基准情景、生态情景、发展情景及综合情景中，综合情景的生态源面积大于其他3种情景，且生态源的分布情况也比其他3种情景均匀；在构建生态廊道体系时，综合情景下的物质、能量及物种的流通性也较其他3种情景强；而且，综合情景下的生态节点跟其他3种情景相比，无论是在功能数量上还是在空间分布上，具有更强的合理性。可见，采用情景分析法对景观格局进行优化，对于农村景观生态格局建设具有引导性与创新性，能够凸显景观格局的生态功能与价值，增强区域土地资源的开发利用与景观生态格局建设方向的一致性与互动性。但是，该文因获取的数据有限，生态敏感性评价体系较为简单，未考虑到植被覆盖率、地质灾害点等因子的影响。在构建阻力评价体系时，未考虑到土地适宜性、生态系统服务功能等的影响。

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THE OPTIMIZATION OF RURAL LANDSCAPE ECOLOGICAL PATTERN OF DIFFERENT LAND USE SCENARIOS:A CASE OF LONGHUA TOWN，JIANGJIN DISTRICT OF CHONGQING

Xiong Fan1，Shao Jingan1，2※
（1.College of Geography and Tourism，Chongqing Normal University，Chongqing 401331，China；2.Key Laboratory of Surface Process and Environment Remote Sensing，in the Three Gorges Reservoir Area，Chongqing 400047，China）

AbstractThe interrelation between landscape pattern and ecological process is one of the important contents of landscape pattern optimization.And landscape pattern optimization is an effective way to achieve reasonable use of the limited land resource，and can guarantee the coordination and unity of economic benefit，social benefit and ecological environment benefit for land utilization.Taking Longhua town，Jiangjin District of Chongqing as the study site，this paper set four different land use scenarios（e.g.，baseline scenario，ecology scenario，development scenario and integration scenario）.Every land use scenario was analyzed through landscape pattern index，ecological sensitivity and minimum cumulative resistance.Landscape patterns under four different land use scenario were optimized using the minimum cumulative resistance model to build different landscape compositions with the support of ARCGIS software.The landscape optimization path was selected.The results showed that:The area ratio of cultivated land landscape was the biggest，accounting for 52.47%ofthe study area.This will help to promote the development and utilization of landscape ecological functions.In the study site，the degree of landscape fragmentation was high and landscape connectivity was very poor，which caused a serious negative impact on the development and utilization of landscape ecological function.Comparing of four land use scenarios，the area of ecological source of the integrated scenario was bigger than other three scenarios.And the distribution of ecological resources was also more uniform than other three scenarios.When constructing the ecological corridor system，the circulation of the material，energy and species of the integrated scenario were also stronger than other three scenarios.Moreover，the ecological modes of the integrated scenario were more reasonable than the other three scenarios.Therefore，to optimize the landscape pattern using scene analysis method had the guidance and innovation for the construction of rural landscape ecological pattern.It can present ecological function and value of landscape pattern，and strength the consistency and interaction between the development and utilization of regional land resources and the construction of landscape ecological pattern.This paper will provide scientific basis for regional agricultural development planning and land use planning.

Keywordsland use scenarios；rural landscape patterns；minimum cumulative resistance model；optimization

中图分类号：F301.24；P901

文献标识码：A

文章编号：1005-9121［2016］02-0011-11

doi:10.7621/cjarrp.1005-9121.20160202

收稿日期：2015-06-09

作者简介：熊繁 （1990—），女，重庆市万州人，硕士。研究方向:景观生态学及资源环境与城乡规划。※通讯作者:邵景安，（1976—），男，安徽亳州人，研究员。研究方向:土地利用与生态过程。Email:shao_ja2003@sohu.com

*资助项目：“十二五”农村领域国家科技计划课题 （2013BAJ11B02）